天线基本知识点征集

mjf2005

Q：天线极化方式分为几种？
A：
1、线极化：a垂直极化，b水平极化
2、圆极化：a左旋圆极化，b右旋圆极化
3、椭圆极化：a左旋椭圆极化，b右旋椭圆极化

补充一下：线极化中最常见的是斜极化
                    圆极化是一种特殊的椭圆极化

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这个帖子要大家一起顶起来，争取早日完成这个天线faq的制作，让更多新手入门，学习

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天线是一种用来发射或接收无线电波——或更广泛来讲——电磁波的电子器件。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。
从物理学上讲，天线是一个或多个导体的组合，由它可因施加的交变电压和相关联交变电流而产生辐射的电磁场，或者可以将它放置在电磁场中，由于场的感应而在天线内部产生交变电流并在其终端产生交变电压。

概述
基于特定三维（通常指水平或垂直）平面，可以把天线分为两大基本类型：

• 全向天线（在平面中均匀辐射）
• 定向天线（又称指向天线，在某方向辐射较多）

在自由空间内，任何天线都向各个方向辐射能量，但是特定的架构会使天线在某个方向上获得较大方向性，而其它方向的能量辐射则可以忽略。
通过增加附加导体棒或线圈（称之为单元）并改变其长度、间距和方位（或者改变天线波束方向），可以制造出拥有既定特性的天线，如八木天线。“天线阵列”或“天线阵”是指相当数量的有源天线共用源或负载来产生定向的天线辐射方向图。天线的空间关系通常也会影响其方向性。“有源单元”是指此天线单元的能量输出由该单元内部的能量源所决定（而不是仅由通过电路的信号能量）或者该单元能量输出的能量源由信号输入所控制。“天线引入线”是在信号源和有源天线之间传输信号能量的传导装置（如传输线或馈线）。它由有源天线延伸出来直达源。“天线馈电”则是指有源天线和放大器之间的元件。

天线参数
影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。

谐振频率
“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度乘以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。
天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。

增益
天线设计中，“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi [1]。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。



天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。
碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。
“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。

带宽
天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。

阻抗
“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。
天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴伦、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。

辐射方向图
辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。
不同的天线供应商/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。



半波双极子天线辐射方向图（线性）



半波双极子天线（同上）增益（dBi）

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参与的人少了些，希望越来越好

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天线极化概念
天线的极化是以电磁波的极化来确定的。天线的极化定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。最大增益方向就是天线方向图最大值方向，或最大指向方向。
根据极化形式的不同，天线可分为线极化天线和圆极化天线。在一般的通讯和雷达中多采用线极化天线，在电子对抗和侦察设备中或通讯设备处于剧烈摆动和高速旋转的飞行器上等应用中则可采用圆极化天线。椭圆极化是一种非完纯的极化方式，它可以分解为两个幅度不同、旋向相反的圆极化波，或分解为两个幅度和相位均不相同的正交线极化波。故通常不采用椭圆极化天线，只有在圆极化天线设计不完善时才出现椭圆极化天线。
天线的极化在各个方向并非保持恒定，所以天线的极化在其最大指向方向定义才有意义。例如，对线极化天线来说，其辐射电场矢量的取向是随方向角的不同而不同的；对圆极化天线来说，其最大指向方向上可以设计得使其为圆极化，但在其它方向一般为椭圆极化，当远离最大指向方向时甚至可能退化为线极化。
八木天线、角锥喇叭天线和对称振子天线都是典型的线极化天线。平面阿基米德螺旋天线以及等角螺旋天线和轴向模圆柱螺旋天线等则是典型的圆极化天线。
若以地面为参考面，线极化又分为垂直极化和水平极化。在其最大辐射方向上，电磁波的电场矢量垂直于地面时，称为垂直极化；平行于地面时，称为水平极化。相应的天线称之为垂直极化天线和水平极化天线。

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在无线电通讯中，只有在收、发天线的极化匹配时，才能获得最大的功率传输，否则会出现极化损失。所谓收、发天线的极化匹配是指：在最大指向方向对准的情况下，收、发天线的极化一致。极化损失系数用K来表示，是指接收天线的极化与来波极化不完全匹配时，接收功率损失的多少。它可定义为：接收到的功率Pr与入射到接收天线上PI的功率之比。
K=Pr/PI
下面就线极化天线和圆极化天线在最大指向方向对准时，收发天线为各种典型极化时的极化损失系数.
发射天线               接收天线                 极化损失系数K
垂直极化/水平极化      垂直极化/水平极化         1
垂直极化/水平极化      水平极化/垂直极化         0
垂直或水平极化         圆极化                   1/2
左/右旋圆极化          左/右旋圆极化             1
左/右旋圆极化          右/左旋圆极化             0

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由于结构等方面的原因，天线可能辐射或接收不需要的极化分量。例如辐射或接收水平极化波的天线，也可能辐射或接收不需要的垂直极化波。这种不需要辐射或接收的极化波称为交叉极化。对线极化天线天线来说，交叉极化与预定的极化方向垂直。对纯圆极化天线来说，交叉极化与预定圆极化旋向相反。对椭圆极化天线来说，交叉极化与预定椭圆极化的轴比相同，长短轴相互正交，旋向相反。所以，交叉极化又称作正交极化。

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Q       什么叫天线的有效长度？
A        有效长度主要是针对直线天线来讲的，可以根据天线作接收和作发射时的两种情况来定义。天线作接收时的有效长度L定义为：天线上的开路感应电压V与具有相同极化的均匀平面波入射电场Ei之比，即
  L=V/Ei
定义方法1：天线的有效长度L等于其物理长度2l乘以天线上用输入端电流来归一化的平均电流Ia，即
L=2l*Ia
定义方法2：在天线最大辐射方向上产生相同电场的条件下，用一个长为L的假想基本振子来代替该天线(基本振子上的均匀电流幅度等于该天线输入端电流I(in))，则这个基本振子的长度就为该天线的有效长度。

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Q        什么叫天线的有效面积？
A         有效面积定义为：在天线的极化与来波极化完全匹配以及负载与天线阻抗共轭匹配的状态下，天线在某方向上接收并传输至负载的功率与入射的均匀平面波功率密度之比。
  接收天线所接收的功率可以看作是一个面积为Se的口径面所吸收的入射波的能流；而有效面积表示接收天线吸收相同极化的外来电磁波的能力，一般情况下有效面积与来波方向(θ,ϕ)有关，但是当接收天线最大指向与来波方向一致时，天线接收到的功率最大，对应的有效面积也为最大。实际上，当振子天线与来波极化匹配时，其最大指向就对准了来波方向，就可得到最大有效面积。对其它形式的接收天线，如喇叭天线等，要得到最大接收面积，除极化匹配条件外，还必须将其最大指向与来波方向对准。并非天线截获的所有功率都传输给接收机负载，即使在共轭匹配的最佳条件下，也仅有一半的截获功率传送至接收机负载，另一半则由天线散射和以热的形式损耗掉了
Q        什么叫天线的散射有效面积Ss？
A        接收天线散射功率与入射均匀平面波功率密度之比.
Q       什么叫天线的热损耗有效面积Sr?
A       接收 天线热损耗功率与入射均匀平面波功率密度之比。
Q       什么叫天线的截获有效面积Sc?
A        接收天线截获功率与入射均匀平面波功率密度之比。

由上可知：Sc=Se+Ss+Sr

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Q   什么是天线的口径效率？
A    对于口径天线，如开口波导、喇叭和反射面等，其最大有效面积Se一般比其物理面积S小，这是由于口径天线金属壁上电磁场必须满足边界条件而使口径电磁场为非均匀分布所致。如果口径场幅度和相位为均匀分布，则其有效面积就等于其物理面积。例如由振子或微带贴片等组成的大型均匀平面阵列，这种口径天线基本能在其物理口径边缘维持均匀场分布，其有效面积就接近物理面积。天线的口径效率V可定义为：天线的有效面积Se与其物理面积S之比，
V=Se/S
对开口波导、喇叭和反射面口径天线，口径效率的取值范围为V=0.5~0.9.